СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ Российский патент 2013 года по МПК B23K20/08 B23K101/14 

Изобретение относится к технологии получения изделий с внутренними полостями с помощью энергии взрыва и может быть использовано при изготовлении, например, деталей термического и химического оборудования, теплорегуляторов и т.п.

Известен способ изготовления теплообменных композиционных элементов с внутренними полостями, в том числе с использованием слоев из меди и алюминия, с помощью взрывных технологий, при котором на плакируемую заготовку, например из меди, наносят с помощью трафарета противосварочную пасту или краску на участки, где сварка не предусмотрена, сваркой взрывом приваривают плакирующий слой из другого металла, например из алюминия, проводят термическую обработку для снятия взрывного упрочнения металлов и повышения их деформационной способности, затем в специальном приспособлении формируют под действием гидравлического давления проходные каналы заданного, сечения. Теплозащитные интерметаллидные слои на межканальных промежутках формируют высокотемпературной диффузионной термической обработкой полученных заготовок (Трыков Ю.П., Писарев С.П. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство. 1998, №6, С.34-37).

Недостатком данного способа является отсутствие на наружных поверхностях получаемых изделий жаростойких интерметаллидных слоев, повышенная склонность металлических слоев к коррозионному разрушению, поскольку внутренние полости таких изделий контактируют с разнородными металлами, возможность разрушения изделий по хрупким интерметаллидным прослойкам при резких перепадах давления в жидкостях-теплоносителях, пропускаемых через внутренние каналы, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для эксплуатации в окислительных газовых средах.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения композиционных алюминиево-никелевых изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, включающем разметку металлического слоя с помощью трафарета, нанесение противосварочного вещества на участки, где сварка не предусмотрена, составление пакета из металлических слоев, размещение над ним защитной металлической прослойки с зарядом взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, термическую обработку для повышения деформационной способности сваренных металлических слоев, формирование гидравлическим давлением внутренних полостей, отжиг для формирования диффузионных теплозащитных интерметаллидных прослоек, при этом составляют пакет из четырех металлических слоев с размещением между алюминиевыми пластинами одинаковых никелевых пластин, в котором соотношение толщин слоев алюминия и никеля составляет 1:(0,4-0,67) при толщине каждого слоя никеля 0,8-1 мм, предварительно на верхнюю поверхность нижней никелевой пластины наносят слои из противосварочного вещества - сверхвысокомолекулярного полиэтилена, в виде полос с расстоянием между ними не менее 12 мм, сварку взрывом пакета осуществляют при скорости детонации заряда взрывчатого вещества (ВВ) 2200-2770 м/с, отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме удельных масс защитной металлической прослойки, алюминиевой и никелевых пластин, а также сварочные зазоры между слоями пакета выбирают из условия получения скорости соударения верхней алюминиевой пластины с никелевой в пределах 370-430 м/с, никелевых пластин - 450-470 м/с, нижней никелевой с нижней алюминиевой - 400-440 м/с, термообработку сваренной заготовки проводят при температуре 400-430°С в течение 0,3-0,5 часов, отжиг для образования сплошных диффузионных теплозащитных интерметаллидных прослоек проводят при температуре 480-520°С в течение 1,5-3 часов с охлаждением на воздухе, с получением цельносварного композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными диффузионными теплозащитными интерметаллидными прослойками между слоями алюминия и никеля. Полученные по этому способу изделия обладают высоким термическим сопротивлением стенок при направлении теплопередачи поперек слоев, повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления в их внутренних полостях, а также высокой коррозионной стойкостью, благодаря тому, что внутренние полости в таких изделиях контактируют с однородными металлами. (Патент РФ №2399471, МПК B23K 20/08, B32B 15/01, опубл. 20.09.2010, бюл. №26 - прототип).

Недостатком данного способа является то, что сплошные теплозащитные слои из интерметаллидов системы никель-алюминий, обладающие помимо высокого термического сопротивления еще и весьма высокой жаростойкостью, располагаются между слоями из алюминия и никеля и отсутствуют на наружных поверхностях получаемых изделий, контактирующих с окружающей средой. Наружные слои в этих изделиях из легкоплавкого металла - алюминия с температурой плавления 660°C, поэтому его предельно допустимая рабочая температура не превышает 400-600°C, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для длительной эксплуатации в окислительных газовых средах, где требуется повышенная жаростойкость.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового способа получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом со сплошными интерметаллидными прослойками на наружных поверхностях, обеспечивающими их повышенную жаростойкость, с однородным металлом, контактирующим с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью поэтапной сварки взрывом трехслойных и многослойных пакетов из металлических слоев, термических и силовых воздействий на сваренные заготовки на оптимальных режимах, получение композиционных изделий с внутренними полостями со сплошными интерметаллидными прослойками на их наружных поверхностях, обеспечивающими у них более высокую, чем у изделий, полученных по прототипу, жаростойкость в окислительных газовых средах, с однородным металлом, контактирующим с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемом способе получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, включающем разметку металлического слоя с помощью трафарета, нанесение противосварочного вещества - сверхвысокомолекулярного полиэтилена на участки, в которых сварка не предусмотрена, составление пакета из металлических слоев под сварку взрывом, размещение над ним защитной металлической прослойки с зарядом взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, термическую обработку для повышения деформационной способности сваренных металлических слоев, формирование гидравлическим давлением внутренних полостей, отжиг для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля, составляют трехслойные пакеты с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины с соотношением толщин слоев никеля и алюминия 1:(1-1,5), никеля и меди 1:(1,25-2,5), при толщине слоя никеля равном 1-1,2 мм, сварку взрывом каждого пакета осуществляют при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1690-2770 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между слоями пакетов выбирают из условия получения скорости соударения верхней алюминиевой пластины с никелевой в пределах 370-480 м/с, никелевой с нижней медной - 335-480 м/с, составляют пакет из двух полученных трехслойных заготовок, при этом предварительно на поверхность медного слоя нижней заготовки наносят по трафарету противосварочное вещество, сваривают их взрывом при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1900-2930 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочный зазор между ними выбирают из условия получения скорости соударения их медных слоев в пределах 310-550 м/с, формирование гидравлическим давлением внутренних полостей производят между медными слоями сваренной шестислойной заготовки, ее отжиг для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между слоями из алюминия и никеля проводят при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°C, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре 0,3-1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, после чего производят охлаждение на воздухе с получением при этом композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными жаростойкими покрытиями на его наружных поверхностях.

В таких условиях высокоскоростного деформирования свариваемых металлов и последующих тепловых воздействий на металлы происходит надежная сварка слоев в каждом пакете по всем поверхностям контакта без оплавов, непроваров и других дефектов, а на тех участках, где на медный слой нанесены полосы из противосварочного вещества, сварка между медными слоями полностью отсутствует. Отжиг на предложенных режимах обеспечивает за короткое время возникновение и рост сплошных интерметаллидных прослоек необходимой толщины между слоями из алюминия и никеля, а после удаления с поверхностей интерметаллидных слоев расплавленного алюминия и последующей термообработки для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, на наружных поверхностях изделия образуются покрытия, придающие полученным композиционным изделиям с внутренними полостями повышенную жаростойкость в окислительных газовых средах, при этом обеспечивается однородность металлов, контактирующих с внутренними полостями изделия, а также повышенная стойкость сварных соединений к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях.

Новый способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, имеет существенные отличия по сравнению с прототипом, как по построению схем сварки взрывом пакетов из металлических слоев, так и по совокупности технологических приемов и режимов при осуществлении способа.

Так предложено составлять трехслойные пакеты с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины с соотношением толщин слоев никеля и алюминия 1:(1-1,5), никеля и меди 1:(1,25-2,5), при толщине слоя никеля равном 1-1,2 мм, что создает благоприятные условия для получения качественных сварных соединений на межслойных границах, возможность формирования на наружных поверхностях изделий жаростойких покрытий, обеспечивает экономный расход металлов в расчете на одно изделие.

Толщина никелевой пластины менее 1 мм является недостаточной для обеспечения стабильных сварочных зазоров между металлическими слоями пакетов из-за гибкости никелевых слоев, а это может приводить к снижению качества сварных соединений его со слоями из алюминия и меди. Кроме того, при малой толщине слоя никеля возможно нарушение его сплошности при операции формирования гидравлическим давлением внутренних полостей. Ее толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это хоть и не ухудшает качество получаемого изделия, но приводит к чрезмерному расходу дорогостоящего никеля в расчете на одно изделие.

Предложенные соотношения толщин слоев никеля и алюминия 1:(1-1,5), никеля и меди 1:(1,25-2,5) являются оптимальными, поскольку при этом создаются благоприятные условия для образования качественных сварных соединений при сварке взрывом при минимальном расходе металлов в расчете на одно изделие. При величине этих соотношений ниже нижних предлагаемых пределов толщина алюминиевых и медных пластин оказывается недостаточной, при сварке взрывом у этих пластин возможны неконтролируемые деформации, что ухудшает качество полученных изделий. Величина этих соотношений толщин слоев выше верхних предлагаемых пределов является избыточной, поскольку это приводит к излишнему расходу металлов в расчете на одно изделие.

Предложено сварку взрывом каждого пакета осуществлять при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1690-2770 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между слоями пакетов выбирать из условия получения скорости соударения верхней алюминиевой пластины с никелевой в пределах 370-480 м/с, никелевой пластины с нижней медной - 335-480 м/с, что обеспечивает надежную сварку металлических слоев, исключает нарушение их сплошности. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения металлических слоев ниже нижних предлагаемых возможно появление непроваров в зонах соединения металлов, что снижает качество получаемых изделий. При скорости детонации ВВ и скоростях соударения металлических слоев выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических слоев с нарушениями их сплошности никелевого слоя, а это может привести к невозможности дальнейшего использования сваренной заготовки для получения изделия.

Предложено составлять пакет из двух полученных трехслойных заготовок, при этом предварительно на поверхность медного слоя нижней заготовки наносить по трафарету противосварочное вещество, сваривать их взрывом при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1900-2930 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочный зазор между ними выбирать из условия получения скорости соударения их медных слоев в пределах 310-550 м/с, что обеспечивает надежную сварку медных слоев на участках, где сварка предусмотрена и отсутствие сварных соединений в местах расположения противосварочного вещества, а это создает благоприятные условия для формирования гидравлическим давлением внутренних полостей требуемой формы и размеров после операции термической обработки для повышения деформационной способности сваренных металлических слоев.

При скорости детонации ВВ и скорости соударения медных слоев трехслойных заготовок ниже нижних предлагаемых пределов возможно появление непроваров в зоне соединения слоев. При скорости детонации ВВ и скорости соударения медных слоев выше верхних предлагаемых пределов возможны неконтролируемые деформации металлических слоев, при этом может происходить интенсивное волнообразование в зоне соединения слоев, что может привести к снижению прочности сварных соединений и невозможности дальнейшего практического использования сваренных заготовок.

Предложено формирование гидравлическим давлением внутренних полостей производить между медными слоями сваренной шестислойной заготовки, что обеспечивает повышенную стойкость получаемых изделий к разрушению при резких перепадах давления в их внутренних полостях, а также их высокую коррозионную стойкость, благодаря тому, что внутренние полости в получаемых изделиях контактируют с однородными металлами.

Предложено производить отжиг сваренной шестислойной заготовки для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между слоями из алюминия и никеля при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 ч, что обеспечивает высокую скорость диффузионных процессов между алюминием и никелем и, благодаря этому, способствует получению за короткое время отжига на межслойной границе интерметаллидной диффузионной прослойки необходимой толщины и состава, материал которой обладает высокой жаростойкостью. При температуре и времени термообработки ниже нижних предлагаемых пределов толщина получаемой интерметаллидной диффузионной прослойки оказывается недостаточной, что снижает способность получаемого покрытия сопротивляться длительному окислительному воздействию газов при высоких температурах. Температура и время отжига выше верхнего предлагаемого предела являются избыточными, поскольку толщина интерметаллидных прослоек становится чрезмерной, при этом повышается вероятность хрупкого разрушения получаемого материала при его дальнейшей эксплуатации в условиях циклических нагрузок.

Предложено после завершения выдержки при отжиге нагревать заготовку до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°C, удалять с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживать при этой температуре 0,3-1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, что способствует окончательному формированию состава и свойств жаростойких покрытий на наружных поверхностях получаемого изделия. Нагрев заготовки до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°C после завершения первой стадии отжига, значительно облегчает удаление с поверхностей интерметаллидных слоев избыточного алюминия, снижающего жаростойкость изделий. Температура нагрева выше верхнего предлагаемого предела является избыточной, поскольку при этом неоправданно возрастают энергетические затраты на получение изделия. Выдержка менее 0,3 ч является недостаточной для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, а это приводит к снижению твердости и жаростойкости покрытий на получаемых изделиях. Выдержка более 1 ч является избыточной, поскольку это не способствует улучшению качества изделий, но неоправданно увеличивает энергетические затраты.

Последующее охлаждение предложено производить на воздухе, поскольку это наиболее дешевая технологическая операция, обеспечивающая высокое качество полученных изделий без коробления и трещинообразования в интерметаллидных слоях.

В результате получают цельносварное композиционное изделие с внутренними полостями со сплошными жаростойкими интерметаллидными слоями на его наружных поверхностях.

На фиг.1 изображена схема сварки взрывом трехслойного пакета (вид сбоку), на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1, на фиг.3 - схема сварки взрывом шестислойного пакета (вид сбоку), на фиг.4 - вид по стрелке Б на фиг.3, на фиг.5 - поперечное сечение сваренного изделия с внутренними полостями.

Предлагаемый способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом осуществляется в следующей последовательности. Берут пластины из алюминия, никеля и меди и очищают у них соединяемые поверхности от окислов и загрязнений. Составляют два одинаковых трехслойных пакета с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия 1 и меди 2 никелевой пластины 3. Толщина слоя никеля при этом равна 1-1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и алюминия в каждом пакете равно 1:(1-1,5), а у никеля и меди 1:(1,25-2,5). Пластины в пакетах размещают параллельно друг другу со сварочными зазорами, обеспечиваемыми с помощью упоров 4. На поверхность верхней алюминиевой пластины 1 каждого пакета укладывают защитную металлическую прослойку 5, защищающую наружную поверхность верхней алюминиевой пластины от повреждений при детонации ВВ. Устанавливают каждый полученный пакет на плоское основание 6, размещенное на грунте 7, устанавливают на поверхность защитной металлической прослойки контейнер с зарядом ВВ 8 со скоростью детонации 1690-2770 м/с, с генератором плоской детонационной волны 9. Высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочные зазоры между слоями пакетов, определяемые с помощью компьютерных технологий, выбирают из условия получения скорости соударения верхней алюминиевой пластины 1 с никелевой 3 в пределах 370-480 м/с, а никелевой пластины с нижней медной 2 - 335-480 м/с. Инициирование процесса детонации в зарядах взрывчатого вещества осуществляют с помощью электродетонатора 10. После этого, например на фрезерном станке, обрезают боковые кромки у каждой сваренной трехслойной заготовки с краевыми эффектами, очищают поверхности медных слоев от загрязнений продуктами детонации ВВ и составляют пакет из двух полученных трехслойных заготовок, как показано на фиг.3, где поз.11, 14 - алюминиевые слои, 12, 15 - никелевые, 13, 16 - медные, при этом предварительно на поверхность медного слоя 16 нижней заготовки наносят по трафарету слои противосварочного вещества в виде полос 17, шириной равной М, с расстоянием между противосварочными полосами N, с расстояниями от краев заготовки равными К. Трехслойные заготовки в пакете располагают параллельно друг над другом на расстоянии сварочного зазора с помощью упоров 18 На поверхность алюминиевого слоя 11 верхней трехслойной заготовки укладывают защитную прослойку из высокоэластичного материала - резины 19, защищающую поверхность металла от повреждений при детонации ВВ. Устанавливают полученный пакет на плоское основание 20, размещенное на грунте 21, устанавливают на поверхность защитной прослойки контейнер с зарядом ВВ 22 со скоростью детонации 1900-2930 м/с, с генератором плоской детонационной волны 23. Высоту заряда ВВ, а также сварочный зазор между трехслойными заготовками, определяемый с помощью компьютерных технологий, выбирают из условия получения скорости соударения медных слоев 13, 16 в пределах 310-550 м/с. Инициирование процесса детонации в зарядах взрывчатого вещества осуществляют с помощью электродетонатора 24.

Термическую обработку для повышения деформационной способности сваренных металлических слоев сваренной шестислойной заготовки проводят при температуре 400°C в течение 0,5 часа, после чего, например на фрезерном станке, обрезают у нее боковые кромки с краевыми эффектами. После этого производят формирование между медными слоями внутренних полостей необходимого профиля в специальной оснастке с помощью гидравлического давления, а затем производят отжиг полученной заготовки с внутренними полостями при температуре 600-630°C в течение 1,5-7 часов для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°C, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре 0,3-1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, после чего производят охлаждение на воздухе с получением при этом композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными жаростойкими интерметаллидными покрытиями на его наружных поверхностях. На поперечном сечении сваренного изделия с внутренними полостями, представленном на фиг.5, поз.25, 26 - сдеформированные медные слои, 27 - зоны сварки медных слоев, 28, 29 - сдеформированные никелевые слои, 30, 31 - жаростойкие интерметаллидные покрытия, 32 - внутренние полости изделия.

В результате получают цельносварное композиционное изделие с внутренними полостями со сплошными жаростойкими интерметаллидными слоями на наружных поверхностях и, благодаря этому, со значительно более высокой, чем у изделий, полученных по прототипу, жаростойкостью в окислительных газовых средах, с обеспечением при этом однородности металлов, контактирующих с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях.

Сущность способа поясняется примерами. Все примеры, в том числе и пример по прототипу, сведены в таблице с указанием основных технологических режимов получения композиционных изделий с внутренними полостями, состава и толщин свариваемых материалов, а также свойств полученного продукта.

Пример 1.

Очищают от окислов и загрязнений пластины из алюминия АД1, никеля НП1 и меди M1, из которых составляют два трехслойных пакета под сварку взрывом с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины. Слои в пакетах располагают параллельно друг другу на расстоянии сварочных зазоров, причем метаемую алюминиевую пластину располагают сверху. Длина каждой пластины пакета 340 мм, ширина 265 мм. Толщина никелевых пластин δ_Ni=1 мм, алюминиевых δ_A1=1,5 мм, соотношение толщин слоев никеля и алюминия 1:1,5. Толщина медных пластин δ_Cu=2,5 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:2,5. На поверхность алюминиевой пластины каждого пакета укладывают защитную металлическую прослойку из стали Ст3, защищающую наружную поверхность верхней алюминиевой пластины от повреждений при детонации ВВ. Ее длина - 350 мм, ширина - 275 мм, толщина - 1 мм. Устанавливают полученные пакеты на плоское основание из древесно-стружечной плиты длиной 340 мм, шириной 265 мм, толщиной 18 мм, размещенные на грунте. При сборке пакетов предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимых сварочных зазоров h₁ h₂, где h₁ сварочный зазор между алюминиевой и никелевой пластинами, h₂ - между никелевой и медной. Для сварки взрывом каждого пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=1690 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 20% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. Взрывчатое вещество помещают в контейнер с обеспечением высоты заряда ВВ H_BB=40 мм, длиной 360 мм, шириной 290 мм и устанавливают его на поверхность защитной металлической прослойки вместе с вспомогательным зарядом ВВ - генератором плоской детонационной волны. Для получения скоростей соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров равна: h₁=1,2 мм, h₂=4,5 мм, что обеспечивает скорость соударения алюминиевой и никелевой пластин при сварке взрывом V₁=370 м/с, никелевой и медной V₂=335 м/с. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в основном заряде ВВ с помощью электродетонатора и вспомогательного заряда ВВ. После сварки, например на фрезерном станке, обрезают у каждой сваренной двухслойной заготовки боковые кромки с краевыми эффектами. После обрезки длина заготовок 320 мм, ширина - 245 мм, толщина δ_заг=5 мм.

Очищают поверхности медных слоев сваренных трехслойных заготовок от загрязнений продуктами детонации ВВ, на поверхность медного слоя одной из заготовок наносят по трафарету слои противосварочного вещества в виде полос, шириной равной М=25 мм, с расстояним между противосварочными полосами N=15 мм, с расстояниями от краев заготовки К=30 мм, толщина полос - 80-100 мкм. Как и в прототипе в качестве противосварочного вещества используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен, который наносят по патенту РФ №2171149.

Составляют пакет под сварку взрывом из двух полученных трехслойных заготовок, которые располагают параллельно друг над другом, при этом пластину с нанесенными противосварочными полосами размещают внизу пакета. На поверхность алюминиевого слоя верхней заготовки укладывают защитную прослойку из резины толщиной 3 мм. Устанавливают полученный пакет на плоское основание из древесно-стружечной плиты длиной 320 мм, шириной 245 мм, толщиной 18 мм, размещенное на грунте. При сборке пакета предварительно, с помощью компьютерной технологии, определяют величину необходимого сварочного зазора h.

Для сварки взрывом пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=1900 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 25% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 75% аммиачной селитры. Взрывчатое вещество помещают в контейнер с обеспечением высоты заряда ВВ Н_ВВ=40 мм, длиной 360 мм, шириной 290 мм и устанавливают его на поверхность защитной прослойки вместе с генератором плоской детонационной волны. Для получения скорости соударения медных слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочного зазора h=3,5 мм, что обеспечивает скорость соударения заготовок при сварке взрывом V=310 м/с. Сварку взрывом осуществляют с инициированием процесса детонации в основном заряде ВВ с помощью электродетонатора и генератора плоской детонационной волны.

Термическую обработку для повышения деформационной способности металлических слоев сваренной шестислойной заготовки проводят в электропечи при температуре 400°C в течение 0,5 часов, после чего, например на фрезерном станке, обрезают у нее боковые кромки с краевыми эффектами. После обрезки длина заготовки - 300 мм, ширина - 225 мм. Затем производят формирование между медными слоями внутренних полостей, имеющих форму, как на фиг.5 в специальной оснастке методом их раздувания под действием гидравлического давления. Ширина каждой внутренней полости равна 25 мм, высота - 4 мм. Отжиг полученной заготовки с внутренними полостями для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля производят в электропечи при температуре 600°C в течение 7 часов, затем нагревают ее до температуры, 690°C, что превышает температуру плавления алюминия на 30°C, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, например металлической щеткой с электроприводом, выдерживают при этой температуре 1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, после чего производят охлаждение на воздухе с получением при этом композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными жаростойкими интерметаллидными покрытиями на его наружных поверхностях. Материал противосварочного вещества - сверхвысокомолекулярный полиэтилен в процессе отжига деструктирует и легко удаляется из внутренних полостей.

В результате получают цельносварное композиционное изделие с пятью внутренними полостями шириной 25 мм, высотой 4 мм, с герметичными перемычками между полостями шириной около 15 мм, со сплошными интерметаллидными жаростойкими прослойками на наружных поверхностях толщиной 70 мкм, внутренние полости изделия окружены однородным металлом из меди, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ_max=11 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ_min=7 мм, длина изделия 300 мм, ширина 225 мм. Изделие обладает повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях, его рабочая температура в окислительных газовых средах достигает 1000°C, что на 400-600°C выше, чем у изделий, полученных по прототипу, а это позволяет использовать полученные по предлагаемому способу изделия для изготовления, например, теплообменников и теплорегуляторов энергетических и химических установок.

Пример 2

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина никелевых пластин в трехслойных пакетах δ_Ni=1,1 мм, алюминиевых δ_A1=1.3 мм, соотношение толщин слоев никеля и алюминия 1:1,18. Толщина медных пластин δ_Cu=2 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,82. Для сварки взрывом каждого пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2280 м/с.Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Высота заряда ВВ Н_ВВ=40 мм. Для получения скоростей соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров равна: h₁=0,7 мм, h₂=3 мм, что обеспечивает скорость соударения алюминиевой и никелевой пластин при сварке взрывом V₁=420 м/с, никелевой и медной V₂=405 м/с. Толщина каждой полученной заготовки δ_заг=4,4 мм.

Для сварки взрывом пакета из двух полученных трехслойных заготовок, выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2400 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 33% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Высота заряда ВВ Н_ВВ=50 мм. Для получения скорости соударения медных слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочного зазора h=3 мм, что обеспечивает скорость соударения заготовок при сварке взрывом V=430 м/с. Отжиг полученной заготовки с внутренними полостями для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля производят в электропечи при температуре 615°С в течение 3,5 часов, затем нагревают ее до температуры, 700°С, что превышает температуру плавления алюминия на 40°С, а после удаления с ее поверхностей расплавленного алюминия, выдерживают при этой температуре 0,6 ч.

Результаты получения композиционного изделия с внутренними полостями те же, что в примере 1, но толщина жаростойких интерметаллидных прослоек на наружных поверхностях изделия равна 60 мкм, толщина изделия δ_max=10 мм, δ_min=6 мм.

Пример 3.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Толщина никелевых пластин в трехслойных пакетах δ_Ni=1,2 мм, алюминиевых δ_A1=1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и алюминия 1:1. Толщина медных пластин δ_Cu=1,5 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,25. Для сварки взрывом каждого пакета выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2770 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 50% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры. Высота заряда ВВ Н_ВВ=40 мм. Для получения скоростей соударения металлических слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочных зазоров равна: h₁=0,6 мм, h₂=3,2 мм, что обеспечивает скорость соударения алюминиевой и никелевой пластин при Сварке взрывом V₁=480 м/с, никелевой и медной V₂=480 м/с. Толщина каждой полученной заготовки δ_заг=3,9 мм.

Для сварки взрывом пакета из двух полученных трехслойных заготовок, выбираем взрывчатое вещество из рекомендуемого диапазона со скоростью детонации D_BB=2930 м/с. Такую скорость обеспечивает взрывчатое вещество, представляющее собой смесь из 50% порошкообразного аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры. Высота заряда ВВ Н_ВВ=50 мм. Для получения скорости соударения медных слоев в пределах предлагаемого диапазона, при выбранных параметрах заряда ВВ, величина сварочного зазора h=3 мм, что обеспечивает скорость соударения заготовок при сварке взрывом V=550 м/с.

Таблица Но
мер
при
мера Способ получения материала Параметры трехслойных пакетов Режимы сварки взрывом трехслойных пакетов Параметры пакета из трехслойных заготовок 1 Предлагаемый способ Порядок укладки слоев: алюминий АД1 - никель НП1 - медь M1; δ_A1=1,5 мм, δ_Ni=1 мм, δ_Cu=2,5 мм. Соотношение толщин слоев никеля и алюминия δNi:δ_A1=1:1,5, никеля и меди - δ_Ni:δ_Cu=1:2,5; защитная прослойка из стали Ст3 толщиной 1 мм; сварочные зазоры h₁=1,2 мм, h₂=4.5 мм. Состав ВВ: смесь из 20% аммонита 6ЖВ и 80% аммиачной селитры. Высота заряда ВВ H_BB=40 мм; скорость детонации заряда ВВ D_BB=1690 м/с. Скорости соударения V₁=370 м/с, V₂=335 м/с. Толщина каждой заготовки δ_зфг=5 мм, длина 320 мм, ширина 245 мм, противосварочные полосы из сверхвысокомолекулярного полиэтилена толщиной 80-100 мкм, К=30 мм, М=25 мм, N=15 мм. Сварочный зазор h=3,5 мм. 2 Предлагаемый способ То же, что в примере №1, но δ_A1=1,3 мм, δ_Ni=1,1 мм, δ_Cu=2,5 мм. Соотношение толщин слоев δ_Ni:δ_A1=1:1,18; δ_Ni:δ_Cu=1:1,82, сварочные зазоры h₁=0,7 мм, h₂=3 мм. Состав ВВ: смесь из 33% аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. H_BB=40 мм; D_вв=2280 м/с; V₁=420 м/с, V₂=A05 м/с. То же, что в примере 1, но δ_заг=4,4 мм, сварочный зазор h=3 мм. 3 Предлагаемый способ То же, что в примере №1, но δ_A1=1,2 мм, δ_Ni=1,2 мм, δ_Cu=1,5 мм. Соотношение толщин слоев δ_Ni:δ_A1=1:1; δ_Ni:δ_Cu=1:1,25, сварочные зазоры h₁=0,6 мм, h₂=3,2 мм. Состав ВВ: смесь из 50% аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры. H_BB=40 мм; D_вв=2110 м/с; V₁=480 м/с, V₂=480 м/с. То же, что в примере 1, но δ_заг=3,9 мм. 4 Прототип Патент РФ 2399471 Пакет из четырех пластин. Порядок укладки слоев: алюминий АД1-никель НП1-НП1-АД1; δ_Ni=0,8-1 мм. Соотношение толщин слоев никеля и алюминия δ_Ni:δ_A1=1:(0,4-0,67). Противосварочные полосы из сверхвысокомолекулярного полиэтилена толщиной 80-100 мкм наносят на нижнюю никелевую пластину. Их размеры: К=20 мм, М=25 мм, N=12 мм. Сварочные зазоры 0,8-7 мм. Сваривают пакет из четырех пластин. Состав ВВ: смесь из аммонита 6ЖВ и аммиачной селитры в соотношении 1:3 и 1;4, Н_вв=50-60 мм; D_вв=1190-2190 м/с. Скорости соударения пластин 370-470 м/с. Температура последующей термообработки сваренной заготовки 400-430°C, время выдержки 0,3-0,5 ч.  

Продолжение таблицы Но
мер
при
мера Способ получения материала Режимы сварки взрывом пакета из трехслойных заготовок и последующей термообработки перед формированием внутренних полостей Режимы термической обработки шестислойной заготовки для формирования интерметаллидных прослоек Режимы дополнительной термообработки сваренной шестислойной заготовки с удалением избыточного алюминия Результаты получения изделий с внутренними полостями 1 Предлагаемый способ Состав ВВ: смесь из 25% аммонита 6ЖВ и 75% аммиачной селитры. Высота заряда ВВ Н_вв=40 мм; скорость детонации заряда ВВ D_вв=1900 м/с. Скорость соударения V=310 м/с. Температура последующей термообработки 400°С, время выдержки 0,5 ч. Температура Т_то=600°C, время выдержки 7 ч, охлаждение на воздухе. Температура Т_доп=690°C, что на 30°C выше температуры плавления алюминия. Способ удаления алюминия - механическая обработка. Время выдержки после удаления алюминия 1 ч, охлаждение на воздухе. Изделие с пятью внутренними полостями, со сплошными жаростойкими слоями на наружных поверхностях толщиной
δ_инт=70 МКМ, δ_max=11 MM, δ_min=7 мм, его рабочая температура в окислительных газовых средах до T_раб=1000°С, что на 400-600°С выше, чем у изделий, полученных по прототипу., 2 Предлагаемый способ То же, что в примере 1, но ВВ - смесь из 33% аммонита 6ЖВ и 67% аммиачной селитры. Н_вв=50 мм, D_вв=2400 м/с, V=430 м/с. То же, что в примере 1, но T_то=615°C, время выдержки 3,5 ч. То же, что в примере 1, но Т_доп =615°C, время выдержки 3,5 ч. То же, что в примере 1, но δ_инт=60 мкм, δ_max=10 мм, δ_min=6 мм. 3 Предлагаемый способ То же, что в примере 1, но ВВ - смесь из 50% аммонита 6ЖВ и 50% аммиачной селитры. Н_вв=50 мм, D_вв=2930 м/с, V=550 м/с. То же, что в примере 1, но T_то=630°C, время выдержки 1,5 ч. То же, что в примере 1, Т_доп=630°C, время выдержки 1,5 ч. То же, что в примере 1, но δ_инт=50 мкм, δ_mах=9,5 мм,
δ_min=5,5 ММ. 4 Прототип Патент РФ 2399471   Термообрабатывают четырехслойную заготовку из алюминия и никеля. T_то=480-520°С, время выдержки 1,5-3 ч, охлаждение на воздухе.   В изделии с пятью внутренними полостями нет жаростойких слоев на наружных поверхностях, их Т_раб на 400-600°С ниже, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу.

Отжиг полученной заготовки с внутренними полостями для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия иникеля производят в электропечи при температуре 630°C в течение 1,5 часов, затем нагревают ее до температуры, 710°C, что превышает температуру плавления алюминия на 50°C, а после удаления с ее поверхностей расплавленного алюминия, выдерживают при этой температуре 0,3 ч.

Результаты получения композиционного изделия с внутренними полостями те же, что в примере 1, но толщина жаростойких интерметаллидных прослоек на наружных поверхностях изделия равна 50 мкм, толщина изделия δ_max=9,5 мм, δ_min=5,5 мм.

В композиционных алюминиево-никелевых изделиях с внутренними полостями полученных по прототипу (см таблицу, пример 4) две сплошные диффузионные теплозащитные интерметаллидные прослойки состава алюминий-никель толщиной 15-20 мкм расположены между наружными слоями из алюминия толщиной 1,5-2 мм и никеля толщиной 0,8-1 мм. Никелевые слои образуют вокруг полостей шириной каждой из них равной 25 мм и высотой - 4 мм, замкнутые контуры. Ширина перемычек между внутренними полостями около 10-12 мм. Предельная рабочая температура таких изделий в окислительных газовых средах не превышает 400-600°C, что на 400-600°C ниже, чем у изделий, полученных по предлагаемому способу из-за отсутствия жаростойких покрытий на их наружных поверхностях.

Изобретение может быть использовано при изготовлении изделий с внутренними полостями с помощью энергии взрыва, например деталей термического и химического оборудования, теплорегуляторов и т.п. Составляют трехслойные пакеты с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины и осуществляют их сварку взрывом. Затем составляют пакет из двух полученных трехслойных заготовок и сваривают их взрывом. Предварительно на поверхность медного слоя нижней заготовки наносят по трафарету противосварочное вещество. Формируют гидравлическим давлением внутренние полости между медными слоями сваренной шестислойной заготовки и проводят ее отжиг для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между слоями из алюминия и никеля. Нагревают до температуры, превышающей температуру плавления алюминия для удаления с поверхностей расплавленный алюминий, и выдерживают при этой температуре для превращения остатков алюминия в интерметаллиды. Полученное композиционное изделие с внутренними полостями имеет на наружных поверхностях сплошной жаростойкий интерметаллидный слой толщиной 50-70 мкм, который обеспечивает высокую жаростойкость в окислительных газовых средах. 5 ил., 1 табл., 3 пр.

Способ получения композиционных изделий с внутренними полостями сваркой взрывом, включающий разметку металлического слоя с помощью трафарета, нанесение противосварочного вещества из сверхвысокомолекулярного полиэтилена на участки, в которых сварка не предусмотрена, составление пакета из металлических слоев под сварку взрывом, размещение над ним защитной металлической прослойки с зарядом взрывчатого вещества, осуществление сварки взрывом, термическую обработку для повышения деформационной способности сваренных металлических слоев, формирование гидравлическим давлением внутренних полостей, отжиг для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля, отличающийся тем, что составляют трехслойные пакеты с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины с соотношением толщин слоев никеля и алюминия 1:(1-1,5), никеля и меди 1:(1,25-2,5), при толщине слоя никеля равном 1-1,2 мм, сварку взрывом каждого пакета осуществляют при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1690-2770 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, материал и толщину защитной металлической прослойки, а также сварочные зазоры между слоями пакетов выбирают из условия получения скорости соударения верхней алюминиевой пластины с никелевой в пределах 370-480 м/с, никелевой с нижней медной - 335-480 м/с, составляют пакет из двух полученных трехслойных заготовок, при этом предварительно на поверхность медного слоя нижней заготовки наносят по трафарету противосварочное вещество, сваривают их взрывом при скорости детонации заряда взрывчатого вещества 1900-2930 м/с, высоту заряда взрывчатого вещества, а также сварочный зазор между ними выбирают из условия получения скорости соударения их медных слоев в пределах 310-550 м/с, формирование гидравлическим давлением внутренних полостей производят между медными слоями сваренной шестислойной заготовки, ее отжиг для образования сплошных интерметаллидных диффузионных прослоек между слоями из алюминия и никеля проводят при температуре 600-630°С в течение 1,5-7 ч, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия на 30-50°С, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре 0,3-1 ч для превращения остатков алюминия в интерметаллиды с образованием сплошного жаростойкого покрытия на наружных поверхностях полученного композиционного изделия, после чего производят охлаждение на воздухе.